Överspänningsskydd för solcellsanläggningar

Indirekta blixtnedslag är destruktiva. Anekdotiska observationer om blixtaktivitet är vanligtvis en dålig indikator på nivån av blixtinducerad överspänning i PV-matriser. Indirekta blixtnedslag kan lätt skada de känsliga komponenterna i PV-utrustning, vilket ofta har en hög kostnad att reparera eller byta ut de skadade komponenterna, och påverkar PV-systemets tillförlitlighet. Överspänningen beror på installationsförhållandena för varje PV-system och kablarna.

PV-system exponeras i stora öppna utrymmen, vanligtvis på fält eller på toppen av byggnader. Laddade regnmoln som samlas över sådana öppna fält har en benägenhet att släppa ut laddningen i form av blixtar. När detta händer är det troligt att en spänningsöverspänning uppstår. Ju mer expansivt fältet är, desto mer sannolikt är det att förstörelse inträffar.

När ett solcellsanläggning placeras på en industriplats är även affärsverksamheten och utrustningen i fara. Växelriktare är dyra, men för industriella tillämpningar är ett ännu dyrare fel kostnaden för stillestånd.

När blixten slår ner i ett solcellssystem orsakar det en inducerad transientström och spänning inom solcellssystemets trådslingor. Dessa transienta strömmar och spänningar kommer att uppträda vid utrustningens terminaler och orsakar sannolikt isolerings- och dielektriska fel i de elektriska och elektroniska solcellskomponenterna som PV-panelerna, växelriktaren, styr- och kommunikationsutrustningen, såväl som enheter i byggnadsinstallationen. Arrayboxen, växelriktaren och MPPT (maximal effektpoint tracker) enheten har de högsta felpunkterna.

För att förhindra att hög energi passerar genom elektroniken och orsakar högspänningsskador på PV-systemet måste spänningsstötar ha en väg till jord. För att göra detta bör alla ledande ytor vara direktjordade och alla kablar som kommer in i och ut ur systemet (såsom Ethernet-kablar och nätström) kopplas till jord via en SPD.

En överspänningsskyddsanordning behövs för varje grupp av strängarna i arrayboxen, rekombinatorboxen, såväl som DC-frånkopplingen.

Val och installation av överspänningsskyddsenhet för PV-system

PV-system har unika egenskaper, som därför kräver användning av SPD:er som är speciellt utformade för PV-system.

PV-system har höga DC-systemspänningar upp till 1500 volt. Deras maximala effektpunkt fungerar på bara några få percentiler under systemets kortslutningsström.

För att bestämma rätt SPD-modul för PV-systemet och dess installation måste du veta:

l Blixtrundan blixtdensitet;

l Systemets driftstemperatur;

l Systemets spänning;

l Systemets märkström för kortslutning;

l Den vågformsnivå som ska skyddas mot (indirekt eller direkt blixtnedslag);

l Den nominella urladdningsströmmen.

SPD-kraven för en installation som är skyddad av ett externt åskskyddssystem (LPS) beror på vald klass av LPS och om separationsavståndet mellan LPS och PV-installationen är isolerat eller oisolerat. IEC 62305-3 beskriver separationsavståndskraven för en extern LPS.

För att ha en skyddande effekt bör en SPD:s spänningsskyddsnivå (Up) vara 20 % lägre än den dielektriska styrkan för systemets terminalutrustning.

Det är viktigt att använda en SPD med en kortslutningsmotståndsström som är större än kortslutningsströmmen för solpanelssträngen som SPD är ansluten till. SPD:n som tillhandahålls på likströmsutgången måste ha en likströms-MCOV lika med eller större än den maximala solcellssystemets spänning för panelen.

SPD:er för DC-sidan av solcellssystem

PV-källor har mycket olika ström- och spänningsegenskaper än traditionella likströmskällor: de har en icke-linjär karaktäristik och orsakar långvarig beständighet av antända ljusbågar. Därför kräver PV-strömkällor inte bara större PV-brytare och PV-säkringar, utan också en frånskiljare för överspänningsskyddsanordningen som är anpassad till denna unika natur och som klarar av PV-strömmar.

SPD:er installerade på likströmssidan måste alltid vara speciellt utformade för likströmstillämpningar. Användningen av en SPD på den felaktiga AC- eller DC-sidan är farlig under felförhållanden.

Installation

SPD:er bör alltid installeras uppströms om de enheter som de ska skydda. NFPA 780 12.4.2.1 säger att överspänningsskydd ska tillhandahållas på solpanelens likströmsutgång från positiv till jord och negativ till jord, vid kombinerar- och rekombinatorlådan för flera solpaneler och vid växelriktarens växelströmsutgång.

Korrekt installation av en SPD bygger på tre värden, som är:

l Maximal kontinuerlig driftspänning: Den spänning som SPD kommer att aktivera.

l Spänningsskyddsnivå: Utrustningens överspänningskategori måste vara högre än SPD:s spänningsskyddsnivå.

l Nominell urladdningsström: Toppvärdet för vågformen (8/20 μs för typ 2 SPD) som SPD kan motstå efter upprepade överspänningar.

Hur man kombinerar SPD:er med växelriktare

PV-gårdar består av mycket känslig utrustning som behöver omfattande skydd. Eftersom PV-gårdar skapar likström (likström), är växelriktare (som är nödvändiga för att omvandla denna effekt från likström till växelström) en viktig komponent i deras elproduktion. Tyvärr är växelriktare inte bara mycket känsliga för blixtnedslag utan de är otroligt dyra.

NFPA 780 12.4.2.3 kräver ytterligare SPD:er vid växelriktarens DC-ingång om systemväxelriktaren är mer än 30 meter från närmaste kombinator eller rekombinatorbox.

Installera SPD mellan säkringarna och växelriktaren om det finns strängskydd (som säkringar, likströmsbrytare eller strängdioder)

För att ansluta en SPD när det finns en växelriktare med inbyggd säkringsdosa, se till att de interna säkringarna är förbikopplade och att de externa strängsäkringarna är anslutna.

Strängväxelriktare bör installeras så nära strängarna som möjligt. SPD-kablar som ansluts till L+/L-nätverket, och mellan SPD:s kopplingsplint och jordskena, måste vara mindre än 2,5 meter. Ju kortare anslutningskablar desto mer effektivt och kostnadseffektivt blir skyddet.

För växelriktare med endast en MPP-tracker, kombinera strängen före växelriktaren och anslut dem till SPD vid sammankopplingspunkten.

SPD-kombinationer bör planeras för varje ingång när växelriktaren har flera MPP-trackers. En SPD måste användas för varje ingång som är sammansmält med en strängdiod.

Referenser

[1] Åskskyddsguide, DIN EN Standard 62305 – 3, 2014.

[2] Standard för överspänningsskydd, UL 1449, 2014.

[3] Överspänningsskyddsanordningar för låg spänning – Del 32: Överspänningsskyddsanordningar anslutna till likströmsaggregatet. sidan av solcellsanläggningar – Urvals- och tillämpningsprinciper, IEC Standard 61643-32, 2 017.